Classificação do plasma

De acordo com a temperatura, o plasma é classificado em: plasma de baixa temperatura (temperatura ambiente até 70.000 K) e plasma de alta temperatura (acima de 70.000 K).

O plasma de baixa temperatura é subdividido em plasma térmico e plasma frio sendo que a distinção entre esses dois tipos de plasma é feita através do entendimento do conceito de equilíbrio termodinâmico local (ETL). A figura 2 mostra que o plasma térmico apresenta equilíbrio termodinâmico, ou seja, a temperatura dos elétrons é igual à temperatura das partículas pesadas (Te ≈ Tg), estando estas temperaturas associadas à energia cinética das partículas. É o que ocorre no plasma térmico de arco elétrico. Já o plasma frio é caracterizado pelo

não equilíbrio termodinâmico (Te >> Tg). Como a temperatura Tg está perto da temperatura ambiente, estes plasmas são chamados plasmas “frios”. É o caso da lâmpada fluorescente (Fridman, 2008).

Figura 2: Temperatura dos elétrons no plasma térmico e frio (Roth, 1995)

Como pode ser observado, geralmente, em pressões atmosféricas o plasma é térmico, enquanto em baixas pressões, o plasma é frio.

Como exemplo de plasma de alta temperatura, cita-se reações de fusão que ocorrem no sol, estrelas, etc.; plasma térmico: arco elétrico e raios e plasma frio: lâmpada fluorescente e descarga luminescente. Um bom exemplo de plasma frio natural é a aurora boreal e plasma frio de laboratório é a descarga pulsada e descarga corona.

Para o plasma onde a ionização do gás é feita através de descargas elétricas a energia proveniente do campo elétrico é acumulada primeiramente pelos elétrons, devido a sua maior mobilidade, e, posteriormente é transferida às espécies mais pesadas através de colisões. Entretanto, as colisões dos elétrons com as espécies mais pesadas, transferem apenas uma pequena parte da energia (pois os elétrons são bem mais leves), sendo, portanto a temperatura inicial do elétron superior a das espécies mais pesadas. As colisões subsequentes podem equilibrar a temperatura dos elétrons e das outras espécies, a menos que o tempo ou a energia não forem suficientes para que o equilíbrio seja atingido ou há um mecanismo intensivo de refrigeração que previne o aquecimento do gás (Fridman, 2008).

Quando a temperatura dos elétrons e das espécies mais pesadas aproxima-se, verifica-se a ocorrência do equilíbrio termodinâmico local no plasma, que requer que as transições e as reações químicas sejam governadas por colisões e não por processos radiativos (Fridman, 2008). Plasmas que apresentam a condição de ETL são denominados plasma térmico (Boulos, 1991). Para plasmas no qual se verifica a condição de ETL, a temperatura das espécies mais pesadas é próxima a temperatura dos elétrons, uma vez que as colisões elásticas transferem calor para as espécies de maior massa (parte da energia dos elétrons é consumida), enquanto as colisões inelásticas criam espécies reativas no plasma (Tendero, 2006).

O plasma que não apresenta a condição de ETL é chamado plasma frio e nesse caso a temperatura do elétron é bem mais elevada que a temperatura das outras espécies constituintes do plasma (Staack, 2008).

Os plasmas criados em laboratórios não apresentam uma distribuição homogênea de suas propriedades (por exemplo, temperatura, radiação e densidade) e neste caso o equilíbrio termodinâmico passa a ser o equilíbrio termodinâmico local (ETL). Se as propriedades citadas fossem homogêneas, o equilíbrio termodinâmico seria o equilíbrio termodinâmico completo (ETC), mas para ser obtido em laboratório é necessário que as paredes do reservatório onde o plasma e a radiação se encontrem estejam a mesma temperatura, e não existe material que suporte temperaturas tão altas (Fridman, 2008). 2.1.3 Produção do plasma térmico

Diversas técnicas são empregadas para promover a ionização do gás, a fim de obter plasma térmico. Uma das mais utilizadas é baseada na interação entre o gás a ser ionizado e arcos elétricos de elevada intensidade entre eletrodos que são resultantes da ruptura dielétrica de um gás (Felipini, 2005). O plasma é gerado pela formação de um arco elétrico, através da passagem de corrente entre o cátodo e ânodo ionizando o gás injetado.

A tocha é a unidade que permite a interação entre o gás de trabalho (gás plasmogênico) e arcos elétricos e são fabricadas de acordo com suas aplicações específicas. Na interação, o gás é aquecido e ionizado produzindo um jato de plasma (Felipini, 2005). Sendo assim, as tochas de plasmas são equipamentos que utilizam o arco elétrico para converter energia elétrica em energia térmica.

O princípio de operação das tochas de plasma é basicamente o mesmo. Consiste na passagem de um gás através do arco elétrico confinado, dentro de um canal, onde as moléculas do gás recebem energia suficiente para serem ionizadas, gerando assim o plasma. O arco estabelecido entre os eletrodos é forçado através do canal (bocal, nozzle) pelo gás plasmogênico, permanecendo estabilizado ao longo do eixo da tocha. Usualmente o gás plasmogênico é alimentado através da câmara por vórtice que provê a rotação do gás. Essa rotação tem o efeito de estabilizar a coluna do arco no centro do canal e reduzir a erosão dos eletrodos (Angeles, 2003).

Mesmo existindo diversos tipos de tochas de plasma, todas apresentam características em comum, como: alta temperatura do arco, alta eficiência de conversão de energia elétrica em térmica, utilização de quaisquer gases, oxidantes, neutros ou redutores, alta entalpia do fluxo de plasma, alta potência, pequenas dimensões e alta condutividade térmica do fluxo de plasma (Angeles, 2003).

Basicamente os elementos que compõem as tochas de plasma são:

• Eletrodos: cátodo e ânodo;

• Um tubo para a passagem do gás, geralmente o ânodo; • Uma câmara de entrada do gás (câmara de vórtice); • Sistema de estabilização do arco;

• Sistema de refrigeração dos eletrodos.

Cada um destes elementos possui configurações variadas que combinados permitem que uma grande variedade de modelos de tochas (plasmatrons) sejam construídos, cada uma satisfazendo uma aplicação tecnológica específica (Angeles, 2003).

A classificação das tochas de plasma térmico pode ser feita sob diferentes aspectos, entre eles pela maneira como o plasma é produzido. As mais comuns são: tochas de arco elétrico com corrente contínua (CC), que significa um fluxo constante e ordenado de elétrons sempre numa direção; tochas de arco elétrico com corrente alternada (CA), cuja direção da corrente alterna constantemente; tochas de plasma de rádio

freqüência (RF) que são definidas como radiações eletromagnéticas com comprimento de onda maior e freqüência menor do que a radiação infravermelha; tochas de plasma de alta freqüência (AF) que é um tipo de corrente de elevada tensão e baixa intensidade; tochas de plasma de ultra-altas freqüências (UAF ou microondas), entre outras. De acordo com o tipo de arco as tochas classificam-se em: tochas de plasma de arco não transferido e de arco transferido. A diferença está na posição do cátodo e ânodo (Angeles, 2003). O interesse deste trabalho é na tocha de arco não transferido de corrente contínua (CC).

2.1.3.1 Tochas de arco não transferido

A tocha convencional de arco não transferido de corrente contínua consiste de um eletrodo que serve como cátodo (emissor de elétrons) e um corpo anular que atua como ânodo ou coletor. O ânodo é resfriado com água e um fluxo de gás (geralmente argônio) envolve a superfície do eletrodo confinando e estabilizando a área de contato do arco em pontos da superfície metálica quente. Neste tipo de tocha a energia térmica é transmitida do arco unicamente pelo jato de plasma aquecido pela coluna do arco (Angeles, 2003). A figura 3 mostra um esquema de tocha de plasma de arco não transferido.

Figura 3: Esquema de uma tocha de arco não transferido (Felipini, 2005)

Os níveis de potência ficam entre 1 kW e 6 MW e a eficiência de aquecimento fica entre 50 % e 90 % e aumenta com a vazão do gás de plasma.

Na produção de plasma térmico através de tochas de plasma de arco não transferido sempre é necessário um sistema de alta tensão em alta frequência para romper a resistência dielétrica do gás que flui na câmara interna, formando um ambiente ionizado. Uma fonte de energia, geralmente de corrente contínua é conectada no cátodo e ânodo, a qual estabelece um arco voltaico entre estes dois elementos.

2.1.4 Principais reações químicas para sistemas de plasma Ar-CH4 e